За два дня до начала операции «Кольцо», 8 января 1943 г., согласно старым традициям ведения войны, советское командование предъявило командованию окруженных под Сталинградом немецких войск ультиматум с предложением «во избежание напрасного кровопролития» прекратить бессмысленное сопротивление и капитулировать. Генерал-полковник Ф.Паулюс отклонил его после переговоров с ОКХ и по приказу Гитлера. Судя по всему, немецкое командование рассчитывало силами обреченной 6-й армии сковать советские войска в районе Сталинграда и создать условия для организованного отвода основных сил группы армий «А» с Северного Кавказа в Донбасс через Ростов.
Утром 10 января войска Донского фронта перешли в наступление. Атаке пехоты и танков предшествовала непосредственная авиационная и мощная 55-минутная артиллерийская подготовка. К исходу дня на ряде участков оборона противника была прорвана на глубину 6–8 км. Вечером 10 января командующий группой армий «Дон» докладывал Гитлеру: «Командующий 6-й армией доносит о прорывах крупных сил русских на севере, западе и юге, нацеленных на Карповку и Питомник. 44-я и 76-я пехотные дивизии понесли тяжелые потери; 29-я моторизованная дивизия имеет только отдельные боеспособные части. Нет никаких надежд восстановить положение. Оставлены Дмитриевка, Цыбенко и Ракотино». 11 и 12 января войска Донского фронта, ломая сопротивление отдельных боеспособных частей противника, продолжали продвигаться вперед, и к исходу 12 января главная ударная группировка фронта вышла на р. Россошка. На направлении удара войск 64-й и 57-й армий была прорвана оборона противника на р. Червленная, и советские войска продвинулись здесь на 6–8 км.
Попытка немецкого командования задержать дальнейшее продвижение советских войск на своем втором оборонительном рубеже, который в основном проходил по среднему сталинградскому оборонительному обводу, успеха не имела. Войска Донского фронта, проведя в течение 13 и 14 января перегруппировку сил, с утра 15 января возобновили наступление. К середине дня оборона была прорвана. Остатки 6-й армии стали отходить к развалинам Сталинграда. К 16 января территория района окружения 6-й армии сократилась до размеров, составлявших менее трети первоначальной. Преследуя отходившие части противника, войска Донского фронта к исходу 17 января вышли на линию Большая Россошка, Гончара, Воропоново, где встретили упорное сопротивление противника на старых советских укреплениях на подступах к городу.
Утром 19 января для продолжения работы в особом штабе Мильха был вызван командир XIV танкового корпуса генерал Хубе. 20 января он прибыл на место и сразу же отослал в штаб 6-й армии список дельных и верных присяге офицеров, подлежащих вывозу из «котла». По сути, немецкое командование приняло жесткое, но обоснованное решение, аналогичное попытке вывезти командный состав Приморской армии из Севастополя в июне 1942 г. Сам Ганс-Валентин Хубе еще доставит немало неприятностей советским войскам: за бои зимы 1944 г. он получит одну из высших наград Третьего рейха — Бриллианты к Рыцарскому кресту. Судьбу «однорукого генерала», чудом вырвавшегося из Сталинграда, прервет только авиакатастрофа 21 апреля 1944 г.
Подготовка атаки последнего рубежа на подходе к городу продолжалась четыре дня. С утра 22 января наступление советских войск возобновилось на всем фронте. Противник упорно удерживал укрепления внутреннего обвода, но после сокрушительных ударов советской артиллерии оборона противника была прорвана.
24 января Ф.Паулюс докладывал: «44, 76, 100, 305-я и 384-я пехотные дивизии уничтожены. Ввиду вклинения противника на многих участках фронт разорван. Опорные пункты и укрытия есть только в районе города, дальнейшая оборона бессмысленна. Катастрофа неизбежна. Для спасения еще оставшихся в живых людей прошу немедленно дать разрешение на капитуляцию». Разрешения капитулировать от Гитлера вновь не последовало.
25 января войска Донского фронта ворвались в Сталинград с запада. К исходу 26 января войска 21-й и 62-й армий соединились в районе Мамаева кургана и расчленили группировку противника на две части: южную, зажатую в центральной части города, и северную, оказавшуюся окруженной в районе Тракторного завода и завода «Баррикады». В районе завода «Баррикады» был окружен XI армейский корпус, а непосредственно в Сталинграде южнее и севернее долины р. Царица — IV, VIII и LI армейские корпуса и XIV танковый корпус. 28 января южная часть района окружения в свою очередь была разорвана надвое. 6-я армия, раздробленная на три части, изолированные друг от друга, доживала свои последние дни и даже часы. Штаб Паулюса разместился в подвале Центрального универмага Сталинграда. Боеспособность немецких войск к этому времени резко снизилась. Началась массовая сдача в плен солдат и офицеров армии Паулюса. Только за три дня, с 27 по 29 января, части 64-й армии взяли в плен 15 тыс. солдат и офицеров.
